優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施

姜振海　梁勝利

摘 要：從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來說，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅可以促進(jìn)建筑物造型、外觀以及功能的提升，同時(shí)還能有效提高結(jié)構(gòu)的受力性能，節(jié)省施工材料的同時(shí)，降低施工的成本。在進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)需要采取適當(dāng)?shù)牟呗詫?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證建筑物功能的基礎(chǔ)上，保證建筑物的各項(xiàng)性能和指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)提高建筑物的穩(wěn)定性和安全性。文章重點(diǎn)就優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施展開詳細(xì)的分析，希望可以提高建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；措施

1 引言

實(shí)用性與安全性是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅需要考慮房屋的安全性與實(shí)用性，還需要考慮房屋的美觀性與經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還要兼顧施工的便利性，能夠按期的保質(zhì)保量的將藍(lán)圖變成實(shí)物。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)以上要求。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的概述

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，就是通過科學(xué)的計(jì)算方法和優(yōu)化措施，對(duì)實(shí)際工程中的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的研究，使建筑的總體結(jié)構(gòu)以及建筑各個(gè)分部銜接得到完善以及優(yōu)化。通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅能夠提高結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)能夠把社會(huì)中所具有的價(jià)值學(xué)以及審美學(xué)完美的結(jié)合起來，從而提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用的整體性協(xié)調(diào)發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目的是使建筑的設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)合理，在滿足安全和抗震的前提下，提升房屋的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的要求

3.1 安全性要求

對(duì)于建筑物結(jié)構(gòu)來說，其最為基本的要求就是安全，只有保證建筑物的安全是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的和基本要求。根據(jù)我國的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的抗震基本要求是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來說是非常重要的準(zhǔn)則。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)需要對(duì)建筑的整體以及其中的每一個(gè)構(gòu)件都進(jìn)行有效考慮和分析，促使每一個(gè)構(gòu)件的受力都是可靠的，進(jìn)而有效保證整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)體系的安全性。

3.2 經(jīng)濟(jì)性要求

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有效保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性是最為基本的，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，因此，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候需要針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行充分考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)考慮從建筑發(fā)展歷史中就可以發(fā)現(xiàn)，從最為原始的石材到水泥的使用，再到當(dāng)前的鋼結(jié)構(gòu)的使用，都是為了在提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步有效優(yōu)化，達(dá)到自重輕、受力合理、造價(jià)低。例如工字梁的產(chǎn)生也是其中非常重要的優(yōu)化措施，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，節(jié)省了大量的材料。

3.3 功能性要求

對(duì)于建筑物來說，其使用功能是非常重要的，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候需要對(duì)使用功能進(jìn)行充分考慮，使得建筑物滿足功能性的基本要求。比如說，對(duì)于一些特殊功能的建筑物有很多特殊的功能需求，銀行使用的建筑物要求要有金庫，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要對(duì)金庫的結(jié)構(gòu)、位置、出入口等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于的荷載計(jì)算式，一般活荷載取值為10kN/m2，只有保證了建筑物功能才能更好進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用步驟

4.1 建立優(yōu)化模型

對(duì)房屋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通常情況下采用以下三個(gè)步驟完成：

（1）選擇合理的設(shè)計(jì)變量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化人員應(yīng)該重點(diǎn)選擇對(duì)房屋結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)作為設(shè)計(jì)的變量。例如約束控制的參數(shù)、目標(biāo)控制的參數(shù)，具有包括結(jié)構(gòu)可靠度、工程造價(jià)、損失期望值等指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，對(duì)部分變化幅度不明顯、影響程度不高的參數(shù)或者部分采用特定的參數(shù)就能滿足要求，設(shè)計(jì)人員可以事先預(yù)定參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)人員在計(jì)算、設(shè)計(jì)、編程的過程中可以大大的減少工作量。

（2）確定目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化的過程中，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)定能夠符合預(yù)定條件的鋼筋截面積、構(gòu)件幾何尺寸以及其對(duì)應(yīng)的失效概率，從而使得成本控制最優(yōu)化。

（3）確定約束條件。房屋結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是優(yōu)化的前提條件。因此在函數(shù)設(shè)定的過程中，必須設(shè)定相應(yīng)的約束條件。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的約束條件通常包含以下幾個(gè)方面內(nèi)容：尺寸約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力約束、可靠指標(biāo)約束、結(jié)構(gòu)體系約束、確定下條件約束、彈塑性約束、極限狀態(tài)約束等。在優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)人員必須將實(shí)際項(xiàng)目情況的約束條件與假定的約束條件作對(duì)比，確保所設(shè)定的約束條件能夠滿足實(shí)際工程需求。

4.2 方案設(shè)定、程序設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

以可靠度為基礎(chǔ)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有非線性以及多條件、變量復(fù)雜的特點(diǎn)，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)計(jì)算的過程中，通常情況下將具有約束性的優(yōu)化轉(zhuǎn)化成為無約束性的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。目前，我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中常用的計(jì)算方法有：復(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

隨著計(jì)算技術(shù)不斷應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，將基于可靠度進(jìn)行的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案以及選用的符合工程實(shí)際情況的優(yōu)化計(jì)算方法運(yùn)用計(jì)算機(jī)語言編制相關(guān)的程序，從而提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)算速度以及滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的各項(xiàng)功能需求。

在選定優(yōu)化計(jì)算方法、建立相應(yīng)的優(yōu)化模型與優(yōu)化程序的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員通過所編制的程序?qū)Ψ桨高M(jìn)行處理后，必須對(duì)程序運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行比較分析，選擇最佳的優(yōu)化方案。在結(jié)果分析的過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化人員必須對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行整體綜合性考慮，多角度、全方位地考慮優(yōu)化方案。優(yōu)化方案結(jié)果分析對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及其關(guān)鍵，對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效的分析能夠從中選擇安全性、實(shí)用性、合理性以及美觀性有效協(xié)同的方案，同時(shí)，可以降低建筑施工難度，加快施工進(jìn)度，降低建設(shè)投資。在優(yōu)化過程中只考慮經(jīng)濟(jì)效益，忽略對(duì)技術(shù)方面的考慮是不正確的，在優(yōu)化的過程中應(yīng)該將兩者相互統(tǒng)一，形成有機(jī)整體進(jìn)行綜合優(yōu)化。

5 結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化即是順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的要求，也是市場(chǎng)更高要求的體現(xiàn)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人才的引進(jìn)和培訓(xùn)，同時(shí)與時(shí)俱進(jìn)、引用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和工具，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，切實(shí)提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，進(jìn)一步帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展環(huán)境的優(yōu)化和發(fā)展水平的提升。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 韓士峰.試述優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施[J].智能城市，2016（2）：136～137.